(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タングステン、モリブデンまたはタングステンモリブデン合金のいずれか一種である高
融点金属に、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタルの金属粒子またはその酸化物
のいずれか１種以上の酸素吸着金属粒子またはその酸化物粒子を分散させたルツボであっ
て、
前記酸素吸着金属粒子またはその酸化物粒子が高融点金属の結晶粒界に存在し、その含有
量が合計で０．００１〜１質量％であり、
前記高融点金属は平均結晶粒径が５０μｍ以下であることを特徴とするルツボ。
【請求項２】
酸素含有量が１０〜２０００ｗｔｐｐｍであることを特徴とする請求項１記載のルツボ
。
【請求項３】
ルツボは開放部の内径が１００ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項
２のいずれか１項に記載のルツボ。
【請求項４】
ルツボは密度が９５％以上の焼結体であることを特徴とする請求項１ないし請求項３の
いずれか１項に記載のルツボ。
【請求項５】
ルツボはサファイア単結晶を製造するための原料の融液を入れるものとして用いられる
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のルツボ。
【請求項６】
原料の融液から結晶成長によりサファイア単結晶を製造するサファイア単結晶の製造方
法であって、
前記原料の融液を入れるルツボとして請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載のルツ
ボを用いることを特徴とするサファイア単結晶の製造方法。
【請求項７】
酸素を１０〜１０００ｗｔｐｐｍ含有するタングステン、モリブデンまたはタングステ
ンモリブデン合金のいずれか一種である高融点金属粉末と、酸素吸着金属の水素化物、炭
化物または窒化物のいずれか１種以上である酸素吸着金属化合物粉末を混合する混合工程
と、混合した粉末を圧力１ｔｏｎ／ｃｍ２以上のＣＩＰ成形にてルツボ形状の成形体を作
製する成形工程と、成形体を水素雰囲気中１４００℃以上の温度で焼結する第一の焼結工
程と、還元雰囲気中または不活性雰囲気中２０００℃以上の温度で焼結する第二の焼結工
程、とを具備するルツボの製造方法において、
前記混合工程において、酸素吸着金属は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル
のいずれか１種以上であり、その添加量は０．００１〜１質量％であることを特徴とする
ルツボの製造方法。
【請求項８】
第一の焼結工程または第二の焼結工程にて酸素吸着金属化合物を酸素吸着金属または酸
素吸着金属の酸化物にすることを特徴とする請求項７に記載のルツボの製造方法。
【請求項９】
酸素を１０〜１０００ｗｔｐｐｍ含有するタングステン、モリブデンまたはタングステ
ンモリブデン合金のいずれか１種である高融点金属粉末と、酸素吸着金属の水素化物、ま
たは窒化物のいずれか１種以上である酸素吸着金属化合物粉末を混合する混合工程と、混
合した粉末を不活性雰囲気中、圧力１００ＭＰａ以上、１３００℃以上でＨＩＰ処理する
ＨＩＰ工程、とを具備するルツボの製造方法において、
前記混合工程において、酸素吸着金属は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル
のいずれか１種以上であり、その添加量は０．００１〜１質量％であることを特徴とする
ルツボの製造方法。
【請求項１０】
ＨＩＰ工程中に酸素吸着金属化合物を酸素吸着金属または酸素吸着金属の酸化物にする
ことを特徴とする請求項９に記載のルツボの製造方法。
【請求項１１】
前記高融点金属粉末の平均粒径が８μｍ以下であることを特徴とする請求項７ないし請
求項１０のいずれか１項に記載のルツボの製造方法。
【請求項１２】
前記酸素吸着金属化合物粉末の平均粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする請求
項製７ないし請求項１１のいずれか１項に記載のルツボの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ルツボおよびそれを用いたサファイア単結晶の製造方法並びにルツボの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属蒸発容器、金属酸化物溶解容器、結晶製作用容器等の高温で用いられる製造装置の一構成部品として、底部と側壁部とが角部を介して連結された上部開放の有底筒状のモリブデン製ルツボが用いられている。
【０００３】
このようなモリブデン製ルツボは、モリブデン鍛造体を切削加工することにより、あるいはモリブデンからなる板材を絞り加工することにより製造されている。例えば、特開平１１−１６９９９３号公報（特許文献１）には、モリブデン鍛造体を用いたルツボが開示されているが、鍛造加工は鍛造加工に伴う押圧や引き延ばしにより粒径の大きなモリブデン結晶粒が発生しやすく、特に加工量の大きい角部においてこのような現象が顕著となるために高温強度が低下しやすい。
【０００４】
また、モリブデンからなる板材を絞り加工する方法については、側壁部の肉厚減少が避けられず、また底部と側壁部とを繋ぐ角部の繊維組織がみだれやすくなるために高温強度に大きなバラツキが発生する。
また、特許第３９１７２０８号公報（特許文献２）には、タングステンを１〜５質量％含有したタングステンモリブデン合金からなるルツボが開示されている。しかしながら、モリブデンの結晶粒径が１ｍｍ以上と大きいことから寿命に関しては十分とは言えなかった。
また、このような高融点金属からなるルツボはサファイア単結晶の製造に用いられている。サファイア単結晶は、約２０００℃前後で溶融する工程を有する。高温中で高融点金属ルツボを使用していると、不純物酸素が焼結体内部で膨張する“ふくれ”と呼ばれる現象がおき、ルツボの寿命が短いといった不具合がおきていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１６９９９３号公報
【特許文献２】特許第３９１７２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように従来のモリブデン製ルツボは加工歪みが生じやすく、特に加工量の大きい角部には残留歪みが発生しやすく、これにより高温で使用した場合にモリブデン結晶粒の再結晶化が加速されて高温強度が低下しやすくなる。さらに、角部を厚くすることで高温強度を確保することも考えられるが、通常は板材を用いるために必ずしも角部についてのみ厚くすることは容易でない。
また、約２０００℃の高温下で使用するに伴い不純物酸素に起因するふくれの抑制が不十分であることから、使用環境が高温になればなるほど寿命の低下が顕著であった。
本発明は、このような問題に対応するためのものであり、高温強度と長寿命を実現するルツボを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のルツボは、タングステン、モリブデンまたはタングステンモリブデン合金のい
ずれか一種である高融点金属に、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタルの金属粒
子またはその酸化物のいずれか１種以上の酸素吸着金属粒子またはその酸化物粒子を分散
させたルツボであって、前記酸素吸着金属粒子またはその酸化物粒子が高融点金属の結晶
粒界に存在し、その含有量が合計で０．００１〜１質量％であり、前記高融点金属は平均
結晶粒径が５０μｍ以下であることを特徴とするものである。また、酸素含有量が１０〜
２０００ｗｔｐｐｍであることが好ましい。また、ルツボは開放部の内径が１００ｍｍ以
上であることが好ましい。また、ルツボは密度９５％以上の焼結体であることが好ましい
。また、ルツボはサファイア単結晶を製造するための原料の融液を入れるものとして用い
られることが好ましい。
【０００８】
また、本発明のサファイア単結晶の製造方法は、原料の融液から結晶成長によりサファイア単結晶を製造するサファイア単結晶の製造方法であって、前記原料の融液を入れるルツボとして本発明のルツボを用いることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の第一のルツボの製造方法は、酸素を１０〜１０００ｗｔｐｐｍ含有する
タングステン、モリブデンまたはタングステンモリブデン合金のいずれか一種である高融
点金属粉末と、酸素吸着金属の水素化物、炭化物または窒化物のいずれか１種以上である
酸素吸着金属化合物粉末を混合する混合工程と、混合した粉末を圧力１ｔｏｎ／ｃｍ２以
上のＣＩＰ成形にてルツボ形状の成形体を作製する成形工程と、成形体を水素雰囲気中１
４００℃以上の温度で焼結する第一の焼結工程と、還元雰囲気中または不活性雰囲気中２
０００℃以上の温度で焼結する第二の焼結工程、とを具備するルツボの製造方法において
、前記混合工程において、酸素吸着金属は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタ
ルのいずれか１種以上であり、その添加量は０．００１〜１質量％であることを特徴とす
るものである。
また、第一の焼結工程または第二の焼結工程にテ酸素吸着金属化合物を酸素吸着金属ま
たは酸素吸着金属の酸化物にすることが好ましい。
また、本発明の第二のルツボの製造方法は、酸素を１０〜１０００ｗｔｐｐｍ含有する
タングステン、モリブデンまたはタングステンモリブデン合金のいずれか１種である高融
点金属粉末と、酸素吸着金属の水素化物、または窒化物のいずれか１種以上である酸素吸
着金属化合物粉末を混合する混合工程と、混合した粉末を不活性雰囲気中、圧力１００Ｍ
Ｐａ以上、１３００℃以上でＨＩＰ処理するＨＩＰ工程、とを具備するルツボの製造方法
において、前記混合工程において、酸素吸着金属は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム
、タンタルのいずれか１種以上であり、その添加量は０．００１〜１質量％であることを
特徴とするものである。
また、ＨＩＰ工程中に酸素吸着金属化合物を酸素吸着金属または酸素吸着金属の酸化物
にすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、高融点金属の結晶組織中に酸素吸着金属またはその酸化物を分散させているので、不純物酸素を含む高融点金属ルツボであってもふくれの発生を抑制できる。そのため、高温使用環境下でのルツボの長寿命化を図ることができる。また、本発明のルツボを使ってサファイア単結晶を製造すれば、ルツボの長寿命を生かして歩留まり良くサファイア単結晶を製造することができる。
また、本発明のルツボの製造方法であれば、本発明のルツボを効率的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のルツボの一例を示す断面図。
【図２】本発明のルツボの変形例を示す断面図。
【図３】本発明のルツボの他の変形例を示す断面図。
【図４】本発明のルツボのさらに他の変形例を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明について図面を参照して具体的に説明する。
図１は、本発明のルツボの一例を示す断面図である。本発明のルツボ１は
、略板状の底部２と、この底部２の外周部を囲むように所定の高さに設けられる側壁部３と、これら底部２と側壁部３とを連結する角部４とを有し、これらが上部の開放された有底筒状となるように一体に形成されたものである。角部４は、例えば底部２や側壁部３と略同様な厚さとされると共に、弧状に湾曲するものとされており、側壁部３は、角部４から略垂直に立ち上がるものとされている。また、開放された側を開放部と呼ぶ。
【００１３】
まず、本発明のルツボは高融点金属に酸素吸着金属粒子またはその酸化物粒子を分散させたことを特徴とするものである。
高融点金属とは、融点が２５００℃以上の金属が挙げられる。具体的には、タングステン（融点３４００℃）、モリブデン（２６２０℃）が挙げられる。また、タングステンモリブデン合金も挙げられる。タングステンモリブデン合金は、タングステンを１〜６０質量％、残部モリブデンからなる合金が挙げられる。
また、タングステンおよびモリブデン以外の不純物成分は０．１質量％以下、さらには０．０５質量％以下と少ないほどよい。代表的な不純物成分は、鉄が０．０１ｗｔ％（１００ｗｔｐｐｍ）以下、それ以外の金属成分は合計で０．０４ｗｔ％（４００ｗｔｐｐｍ）以下、窒素は０．０１ｗｔ％（１００ｗｔｐｐｍ）以下が好ましい。不純物成分は少ないほど良いことは言うまでもない。
【００１４】
酸素吸着金属とは、焼結工程により、不純物酸素を吸着して酸化物になる金属のことである。酸素吸着金属は焼結工程中に不純物酸素を吸着して酸化物になるため、ルツボ中には、酸素吸着金属の酸化物として残存し、酸化物になりきらなかった酸素吸着金属が残存した場合は酸素吸着金属単体として存在する。そのため、ルツボ中には、酸素吸着金属またはその酸化物のいずれか１種以上として存在する。また、酸素吸着金属が不純物酸素を吸着して酸素吸着金属酸化物になることにより、ルツボ（高融点金属焼結体）中の不純物酸素を酸素吸着金属酸化物として化学的に安定させることができ、ふくれの発生を抑制できる。このため、ルツボ（高融点金属焼結体）中にはすべて酸素吸着金属酸化物になっていることが好ましい。また、酸化物は複合酸化物であってもよい。
また、酸素吸着金属としては、焼結工程中に不純物酸素を吸着して酸素吸着金属酸化物になるものであれば特に限定されるものではないが、好ましくはチタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタルから選ばれる少なくとも１種以上である。これらの金属成分は、後述するように水素化物、炭化物、窒化物などの化合物で安定であるので取り扱い性が優れていると共に焼結工程中に酸素を吸着して酸化物になりやすい。特にジルコニウムは水素化物、炭化物、窒化物などの化合物で入手し易いので好ましい。
【００１５】
また、酸素吸着金属またはその酸化物の含有量は０．００１〜１質量％が好ましい。含有量が０．００１質量％未満では含有させる効果が不十分であり、１質量％を超えると高融点金属の良さが生かせずルツボの耐久性が低下する。好ましくは０．０１〜０．５質量％である。また、酸素吸着金属またはその酸化物の含有量はＩＣＰ分光分析法により分析することが可能である。また、酸素吸着金属またはその酸化物は高融点金属焼結体中に残存する余剰酸素をトラップする効果もあり、この点でもふくれの発生を抑制できる。
また、酸素吸着金属またはその酸化物は高融点金属の結晶粒界に存在することが好ましい。酸素吸着金属またはその酸化物は高融点金属結晶粒子の粒界に存在することにより、高融点金属粒子の粗大粒が形成されるのを抑制できる。また、「高融点金属の結晶粒界に存在する」とはルツボの基材となる高融点金属（タングステン、モリブデン）と合金化せず、酸素吸着金属またはその酸化物として存在することを意味するものである。このような存在形態であると言うことは、酸素吸着金属の化合物として添加した成分が不純物酸素を吸着して酸化物になるという反応を優先していることの証拠である。また、高融点金属結晶粒子の粒界に存在するか否かはＳＥＭ写真により判別可能である。
【００１６】
また、酸素吸着金属またはその酸化物は、高融点金属結晶粒子の粒界に存在することから、高融点金属結晶粒子の粗大粒子の形成を抑制することができる。そのため、高融点金属の平均結晶粒径を１００μｍ以下にすることができる。高融点金属の平均結晶粒径は、さらには５０μｍ以下が好ましい。粒成長を抑制して平均結晶粒径を１００μｍ以下と小さくするとルツボの高温強度を高めることができ、長寿命化を図ることができる。
平均結晶粒径の測定は、線インターセプト法により求められるものである。すなわち、まずルツボの個々の測定箇所となる断面について５００μｍ×５００μｍの大きさの拡大写真を撮り、この写真上において任意に直線を引き、この直線が横切るタングステン結晶またはモリブデン結晶粒の粒子数を測定すると共に、この直線が横切る個々のタングステン結晶またはモリブデン結晶粒の粒径（直線が横切る部分における粒径、すなわちタングステン結晶またはモリブデン結晶粒を横切る直線の長さ）を測定する。５００μｍ／結晶粒の個数により平均値を求める。この作業を任意の３か所の単位面積について行いその平均値を平均結晶粒径とする。
【００１７】
また、ルツボは、酸素含有量は１０〜２０００ｗｔｐｐｍであることが好ましい。この酸素含有量は不純物酸素および酸素吸着金属酸化物の酸素の両方を合計した値である。
また、余剰不純物酸素が５００ｗｔｐｐｍ以下であることが好ましい。ルツボ中に含有される全酸素量（不純物酸素および酸素吸着金属酸化物の酸素の合計値）を酸素量１とする。また、ルツボ中に存在する酸素吸着金属およびその酸化物の合計値から酸素吸着金属単体の含有量を測定し、それを酸化物に換算したときの酸素量を酸素量２とする。０≦「酸素量１−酸素量２」≦５００ｗｔｐｐｍ、さらには１００ｗｔｐｐｍ以下であることが好ましい。余剰不純物酸素が５００ｗｔｐｐｍ以下、さらには１００ｗｔｐｐｍ以下であるということは、ほとんどの不純物酸素が酸素吸着金属酸化物になったことを意味し、ふくれの発生を抑制できる。
【００１８】
また、ルツボ（高融点金属焼結体）の密度は９５％以上、さらには９７％以上１００％以下であることが好ましい。密度の求め方は、タングステンの比重１９．３ｇ／ｃｍ３、モリブデンの比重１０．２ｇ／ｃｍ３、タングステンモリブデン合金の場合は重量比から理論密度を求める。次に、アルキメデス法で実測値を求め、（実測値／理論密度）×１００％により密度を求める。
密度が９５％未満では内部にポアを多く含んだ状態であり、部分的な強度の低下を招くおそれがある。
【００１９】
また、高融点金属製ルツボは、タングステン粉末またはモリブデン粉末を焼結する焼結体であることが好ましく、焼結後に鍛造加工されていないことが好ましい。なお、本発明のルツボについては、鍛造加工されていないことが好ましいが、例えば焼結後に形状を整えるための切削加工等が行われていても構わない。
また、焼結法によれば、厚さに関して従来の鍛造加工のような製造上の制限が少なく、側壁部３と角部４とで厚さが異なるものを容易に製造することができ、例えば側壁部３に対して角部４を厚くするようにすることで、角部４の高温強度に優れるものとすることができる。
さらに、鍛造加工を行う場合、加工時の押圧による引き延ばしなどにより粒径が１００μｍを超えるような過大な結晶粒が発生しやすく、特に角部４のような加工量の大きい部分に過大な結晶粒が発生して高温強度が低下しやすくなるが、焼結後に鍛造加工を行わないものとすることで、このような過大な結晶粒の発生を抑制し、高温強度、特に角部４の高温強度に優れたものとすることができる。特にモリブデンは粗大粒が形成され易く、過大なモリブデン結晶粒が形成されるとふくれの原因になり易い。また、鍛造加工を行う場合、角部４に残留歪みが発生しやすく、これにより高温での使用時に再結晶化が加速されて高温強度が低下しやすくなるが、ＨＩＰ処理後に鍛造加工を行わないものとすることで角部４における残留歪みの発生を抑制し、これにより再結晶化を抑制して高温強度に優れたものとすることができる。
【００２０】
また、焼結法を用いた上で、酸素吸着金属およびその酸化物を分散させているので、例えば、ルツボの開放部の内径を１００ｍｍ以上と大型化したとしても優れた強度および耐久性を示すことができる。また、厚みを１０ｍｍ以上と厚くした場合もふくれの発生を抑制できる。
次に製造方法について説明する。本発明の高融点金属製ルツボの製造方法は特に限定されるものではないが、歩留まり良く得るための方法として次のものが挙げられる。
【００２１】
本発明の第一のルツボの製造方法は、酸素を１０〜１０００ｗｔｐｐｍ含有する高融点金属粉末と、酸素吸着金属の水素化物、炭化物または窒化物のいずれか１種以上である酸素吸着金属化合物を混合する混合工程と、圧力１ｔｏｎ／ｃｍ２以上のＣＩＰ成形にてルツボ形状の成形体を作製する成形工程と、成形体を水素雰囲気中１４００℃以上の温度で焼結する第一の焼結工程と、還元雰囲気中または不活性雰囲気中２０００℃以上の温度で焼結する第二の焼結工程、とを具備することを特徴とするものである。
まず、酸素を１０〜１０００ｗｔｐｐｍ含有する高融点金属粉末と、酸素吸着金属の水素化物、炭化物または窒化物のいずれか１種以上である酸素吸着金属化合物を混合する混合工程を行う。
高融点金属粉末は、酸素の含有量が１０〜１０００ｗｔｐｐｍのものを使う。酸素の含有量が１０ｗｔｐｐｍ未満のものであっても原料粉末としては使用できるが、酸素量１０ｗｔｐｐｍ未満である低酸素量の高融点金属粉末の使用はコストアップの要因となる。また、１０００ｗｔｐｐｍを超えると酸素量が多すぎてふくれが発生し易くなる。このため、高融点金属粉末中に含まれる酸素量は１０〜１０００ｗｔｐｐｍ、さらには１００〜７００ｗｔｐｐｍが好ましい。言い換えれば、不純物酸素を１０〜１０００ｗｔｐｐｍ含有した高融点金属粉末を使ってもふくれを抑制することができるのである。
また、高融点金属粉末とは、タングステン粉末やモリブデン粉末が挙げられる。また、高融点金属粉末の純度は９９．９ｗｔ％以上の高純度のものが好ましい。また、高融点金属粉末の平均粒径は８μｍ以下が好ましい。
【００２２】
また、酸素吸着金属化合物は、酸素吸着金属の水素化物、炭化物または窒化物のいずれか１種以上であることが好ましい。水素化物、炭化物または窒化物のように酸化物でない化合物を使うことが重要である。これら化合物であれば、第一の焼結工程または第二の焼結工程にて酸素吸着金属化合物を酸素吸着金属または酸素吸着金属の酸化物に変換する反応を起こさせることができる。
酸素吸着金属は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタルのいずれか１種以上が挙げられる。例えば、ジルコニウム（Ｚｒ）を用いた場合、ジルコニウム水素化物（ＺｒＨ２）、ジルコニウム炭化物（ＺｒＣ）、ジルコニウム窒化物（ＺｒＮ）が挙げられる。また、ＺｒＨ２を用いた場合、不純物酸素と反応して、ＺｒＨ２＋Ｏ２→Ｚｒ、ＺｒＯ２、Ｈ２Ｏの反応が起きる。ＺｒＨ２は不純物酸素と反応して、一部は水（Ｈ２Ｏ）となり蒸発していく、また、一部は酸化物（ＺｒＯ２）となり、高融点金属粉末中の不純物酸素が実質的になくなった状態、つまりは余剰酸素（酸素量１−酸素量２）がなくなるとＺｒ単体で存在することになる。
【００２３】
また、酸素吸着金属化合物の平均粒径は１０μｍ以下が好ましい。また、その添加量は０．００１〜１質量％であることが好ましい。酸素吸着金属化合物の添加量が０．００１質量％未満または１質量％を超えると、ルツボ（焼結体）に分散される酸素吸着金属およびその酸化物の合計量が０．００１〜１質量％の範囲外になるおそれがある。
高融点金属粉末と酸素吸着金属化合物粉末を混合する工程は、ボールミルなどの粉末混合法を用いる。また、必要に応じ、造粒工程を行っても良い。
次に、圧力１ｔｏｎ／ｃｍ２以上（９８ＭＰａ以上）のＣＩＰ成形にてルツボ形状の成形体を作製する成形工程を行う。ＣＩＰ成形（静水圧プレス）は、混合粉末をゴム袋などの柔軟な袋に詰めて、水や油などで圧力をかけて成形する方法である。成形圧力は１ｔｏｎ／ｃｍ２以上である。成形圧力が１ｔｏｎ／ｃｍ２未満であると成形体の密度が不十分となり、焼結体として密度９５％以上のものが得難い。成形圧力の上限は特に限定されるものではないが２００ＭＰａ以下が好ましい。
【００２４】
次に、成形体を水素雰囲気中１４００℃以上の温度で焼結する第一の焼結工程を行う。焼結温度の上限は後述する第二の焼結工程の温度より低いことが好ましい。また、焼結時間は８時間以上が好ましい。内径が３００ｍｍ以上と大型のものは焼結時間を１６００℃以上×１０時間以上が好ましい。
【００２５】
次に、還元雰囲気中または不活性雰囲気中２０００℃以上の温度で焼結する第二の焼結工程を行う。還元雰囲気は、水素雰囲気、一酸化炭素雰囲気などが挙げられる。また、不活性雰囲気はアルゴンが好ましい。また、焼結時間は５時間以上が好ましい。
第一の焼結工程および、必要に応じ第二の焼結工程を水素雰囲気（または還元性雰囲気）で行うことにより、ふくれの原因となる焼結体中の酸素を除去または吸着金属酸化物にすることができる。
焼結後は、必要に応じ形状を整えるための切削加工等を行うことも可能である。
【００２６】
次に、本発明の第二のモリブデン製ルツボ１の製造方法について説明する。
本発明の第二のルツボの製造方法は、酸素を１０〜１０００ｗｔｐｐｍ含有する高融点金属粉末と、酸素吸着金属の水素化物、炭化物または窒化物のいずれか１種以上である酸素吸着金属化合物粉末を混合する混合工程と、混合した粉末を不活性雰囲気中、圧力１００ＭＰａ以上、１３００℃以上でＨＩＰ処理するＨＩＰ工程、とを具備することを特徴とするものである。
原料となる高融点金属粉末および酸素吸着化合物は第一の製造方法と同じである。第一の製造方法と同様に、まず高融点金属粉末と酸素吸着金属化合物粉末を均一に混ざるように混合する。また、必要に応じ、造粒工程を行うものとする。
次に混合した粉末をルツボ形状に成形する成形工程を行う。成形方法は必ずしも限定されるものではなく、例えば一軸金型プレスを用いて行ってもよいし、また例えば一軸金型プレスを用いて予備成形した後、ゴム型を用いてＣＩＰ（冷間静水圧プレス）を行ってもよい。また、成形圧力は、例えば５０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下とすることが好ましい。成形圧力が上記した範囲よりも小さい場合、例えばＨＩＰ処理したとしても十分に緻密化させることができず、高温強度が十分でなく、また密度も十分なものとならないおそれがある。また、成形圧力が上記した範囲よりも大きい場合、例えば成形金型の耐久性が低下するおそれがあるため好ましくない。
【００２７】
ＨＩＰ（熱間静水圧プレス）処理は、高融点金属粉末と酸素吸着金属化合物粉末の混合粉末、またはその成形体を高温においても被覆可能な金属製あるいはガラス製容器等に封入脱気し、不活性雰囲気媒体を通じて等方的に加圧しながら加熱焼結する方法で、例えばホットプレスが一軸方向の加圧であるのに対し等方加圧であるためにより均質高密度の焼結体を低温焼結で得ることができる。
ＨＩＰ工程は、不活性雰囲気中、圧力１００ＭＰａ以上、１３００℃以上行うものとする。不活性雰囲気は、アルゴン雰囲気が好ましい。また、圧力は１００ＭＰａ以上である。圧力が１００ＭＰａ未満では密度が低下する恐れがある。圧力の上限は特に限定されるものではないが、５００ＭＰａ以下が好ましい。
また、ＨＩＰ温度は１３００℃以上である。１３００℃未満では密度が低下するおそれがある。ＨＩＰ温度の上限は特に限定されるものではないが２０００℃以下が好ましい。また、ＨＩＰ時間は３時間以上１０時間以下が好ましい。
また、ＨＩＰ処理は、例えば成形体を予め理論密度よりも僅かに低い密度となるように予備焼結した後、この予備焼結体をＨＩＰ処理することにより高融点金属製ルツボとしてもよい。このように予め予備焼結を行った後、ＨＩＰ処理することで、より均質高密度な高融点金属製ルツボを得ることができる。また、ＨＩＰ処理においても第一の製造方法同様に酸素吸着金属化合物が、酸素吸着金属またはその酸化物になる反応がおきてふくれの原因となる焼結体中の酸素を除去または吸着金属酸化物にすることができる。
【００２８】
また、ＨＩＰ処理はＴａカプセルなどのカプセル材で包んで行うため酸素吸着金属化合物が、酸素吸着金属またはその酸化物になったときに酸素が系外にでていかない。しかしながら、余剰酸素がＨＩＰ処理材の表面側に移動しているので、ＨＩＰ処理後、表面研磨を行うことが好ましい。
また、さらに必要に応じ形状を整えるための切削加工等を行うことも可能である。
【００２９】
このようにして得られる高融点金属製ルツボは、金属蒸発容器、金属酸化物溶解容器、結晶製作用容器等の高温下で用いられる製造装置の一構成部品として好適に用いることができ、特に青色などのＬＥＤ用のＧａＮ成膜基板等の基板材料として好適に使用されるサファイア単結晶の製造に用いることができる。
サファイア単結晶の製造は、例えばルツボ内に原料を入れて溶融し、この融液にサファイア単結晶からなる種結晶を接触させ、これを回転させながら引き上げることで単結晶を成長させるものである。本発明の高融点金属製ルツボは、このような原料の融液を入れるためのルツボとして好適に用いられる。
具体的には、引き上げ装置として、例えば上部が開口する有底筒状の加熱炉と、この加熱炉の上方から挿入されるようにして配置される引き上げ棒とを有するものを用いる。引き上げ棒の下部先端側には種結晶が固定されている。また、高融点金属製ルツボは、このような引き上げ装置における加熱炉の内側底部に配置される。
このような引き上げ装置においては、まず高融点金属製ルツボ内にサファイア単結晶の原料となる酸化アルミニウムを投入し、溶融させて融液を得る。その後、融液が入った高融点金属製ルツボに種結晶を固定した引き上げ棒を入れて種付けを行う。その後、引き上げ棒を回転させながら引き上げて、サファイア単結晶である略円柱状の単結晶インゴットを得る。本発明のタングステンモリブデン合金製ルツボは、高温強度を向上させているため、溶解温度を２０００℃以上、さらには２２００℃以上にしたとしても長寿命が得られる。
なお、本発明のルツボとしては、少なくともルツボとしての機能を有するものであれば特にその形状は制限されるものではなく、例えば図２に示すように角部４が底部２や側壁部３よりも厚くされていてもよいし、また例えば図３に示すように角部４が略直角に折れ曲がるものとされていてもよいし、さらに例えば図４に示すように側壁部３が底部２から開口部側に向かって徐々に拡径するものとされていてもよい。
【００３０】
［実施例］
（実施例１〜１０、比較例１〜２）
平均粒径２μｍのタングステン粉末（純度９９．９％以上）、平均粒径２μｍモリブデン粉末（純度９９．９％以上）、平均粒径３μｍの酸素吸着金属化合物粉末を用意した。各原料粉末を表１に示す割合で混合した後、２ｔｏｎ／ｃｍ２（１９６ＭＰａ）でＣＩＰ成形した。
次に、水素雰囲気中１６００〜１７００℃×１０〜１２時間の第一の焼結工程、水素雰囲気中２０００〜２１００℃×５〜７時間の第二の焼結工程を行った。これにより実施例にかかるルツボを作製した。また、比較のために酸素吸着金属化合物を添加しないものを作製した。
なお、ルツボのサイズは、外径２６０ｍｍ×内径２３０ｍｍ×高さ１００ｍｍに統一した。
実施例および比較例にかかるルツボについて、酸素吸着金属またはその酸化物の合計量、酸素含有量、高融点金属の平均結晶粒径、密度、酸素吸着金属またはその酸化物が高融点金属結晶粒子の粒界に存在するか否かを測定した。
酸素吸着金属またはその酸化物の合計量の測定はＩＣＰ分光分析法により求めた。また、酸素含有量もＩＣＰ分光分析法により求めた。また、高融点金属結晶粒子の平均結晶粒径は、５００μｍ×５００μｍの大きさの拡大写真を撮り、線インターセプト法により求めた。また、この拡大写真を使って、酸素吸着金属またはその酸化物が高融点金属の結晶粒界にあるか否かを確認した。また、密度は（アルキメデス法による実測値／理論密度）×１００％で求めた。その結果を表２に示す。
【００３１】
【表１】
0005599290.tif 000002
【００３２】
【表２】
0005599290.tif 000003
【００３３】
（実施例１１〜２０）
平均粒径５μｍのタングステン粉末（純度９９．９％以上）、平均粒径５μｍモリブデン粉末（純度９９．９％以上）、平均粒径３μｍの酸素吸着金属化合物粉末を用意した。各原料粉末を表３に示す割合で混合した後、アルゴン雰囲気中、１２０〜１６０ＭＰａ×１４００〜１６００℃でＨＩＰ処理した。その後、表面研磨して実施例にかかるルツボを作製した。
得られた実施例にかかるルツボに関して実施例１と同様の測定を行った。その結果を表４に示す。
【００３４】
【表３】
0005599290.tif 000004
【００３５】
【表４】
0005599290.tif 000005
【００３６】
実施例１〜２０および比較例１〜２のルツボに関して耐久性試験を行った。耐久性試験は、２０００℃×１００時間の熱処理、２２００℃×１５０時間の熱処理の２つの熱処理を行い、それぞれふくれの発生の有無を確認した。その結果を表５に示す。
【００３７】
【表５】
0005599290.tif 000006
【００３８】
表から分かる通り、実施例および比較例にかかるルツボは２０００℃×１００時間の熱処理ではふくれは発生しなかった。それに対し、２２００℃×１５０時間と使用環境が厳しくなったとき比較例１、比較例２および実施例１８ではふくれが発生した。これは比較例１および比較例２は酸素吸着金属を分散させていないため、焼結工程だけでは十分に酸素が除去できなかったものである。一方、実施例１８は酸素吸着金属を３．０ｗｔ％と多く添加したため返って耐久性が低下したものと考えられる。
【００３９】
（実施例２１〜２３）
平均粒径４μｍのモリブデン粉末（純度９９．９５％以上、酸素含有量４００ｗｔｐｐｍ）に平均粒径５μｍのジルコニウム水素化物（ＺｒＨ２）を０．２ｗｔ％添加して均一混合して原料粉末を調整した。
次に、アルゴン雰囲気中、１１０〜１７０ＭＰａ×１４００〜１６００℃でＨＩＰ処理した。その後、表面を研磨加工して実施例にかかるるつぼを作製した。このとき、得られたルツボ（焼結体）のサイズを表６のものにし、実施例１と同様の測定を行った。その結果を表７、表８に示す。
【００４０】
【表６】
0005599290.tif 000007
【００４１】
【表７】
0005599290.tif 000008
【００４２】
【表８】
0005599290.tif 000009
【００４３】
表から分かる通り、ルツボサイズを変えても優れた特性が得られた。
以上のように本実施例にかかるルツボは、より厳しい使用環境下でも優れた耐久性を示すものであり、サイファイア単結晶の製造に好適なルツボである。このため、本実施例のルツボを使用してサイファイア単結晶を製造すれば、効率よくサファイア単結晶を製造することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１…ルツボ
２…底部
３…側壁部
４…角部
５…側壁部の厚さ
６…角部の厚さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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